高分七号星载激光测高仪在轨几何检校与精度评估

高分七号卫星（GaoFen-7, GF-7）搭载了我国首台正式用于对地观测的星载激光测高仪,其测高精度备受国内外关注。文中系统性介绍了基于地形匹配、单片足印影像以及地面探测器阵列的3种检校方法,并利用同一地区GF-7星载激光数据,分别进行不同检校试验与验证,对比和分析3种不同检校试验后GF-7星载激光测高仪的高程测量精度。结果表明,基于地面探测器阵列的检校方法精度最高。以高精度机载LiDAR点云作为地面验证数据,GF-7星载激光测高仪经检校后波束1精度达到0.177 m,波束2为0.157 m;受限于检校所用的参考数据精度不足,其他2种检校方法精度相对较低,测高精度达到0.8 m。     

对地观测星载激光测高仪在轨姿态系统误差检校方法

星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星位置和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪,必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型,设计了利用大洋表面作为地表标定场,通过卫星姿态机动方式,最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明,所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差,即使大规模观测值丢失,估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。     

基于地面红外探测器的星载激光测高仪在轨几何定标

高精度在轨几何定标是星载激光测高仪有效应用的基础,在参考国外冰、云和陆地高程卫星（Ice,cloud and land Elevation Satellite,ICESat）卫星搭载的地球科学激光测高系统（Geo-science Laser Altimeter System,GLAS）几何定标的基础上,提出了一种基于地面红外探测器的星载激光测高仪几何定标方法。采用资源三号02星上搭载的国内首台试验性对地观测激光测高仪的真实数据开展了实验验证。实验结果表明:地面红外探测器能有效捕捉到激光测高仪对地发射的激光信号,几何定标方法能有效消除指向角的系统误差项,标定后平面绝对精度可提高到15.0 m左右,而华北某地高精度地形数据验证表明其绝对高程精度可提高到1.09 m,少量点高程误差小于0.5 m。虽然精度水平离国外GLAS还有一定差距,但相关结论能为后续国产激光测高卫星的优化设计、数据处理与应用提供参考。     

脉冲/连续高功率激光光斑分布阵列探测器

通过测量发射到远场的激光功率密度时空分布给出所需要的到靶总功率、光束质量、桶中功率、功率时间曲线等关键指标参数,是目前准确评价激光系统性能的重要技术手段。介绍了一种基于光电探测器阵列实现近红外脉冲激光功率密度时空分布的测量方法,可以实现900~1700 nm波长、动态范围大于2000倍的激光光斑参数测量。该阵列探测器具有测量面积大、单元一致性好、测量精度高等特点,并可同时实现脉冲和连续激光参数测试要求。给出了阵列探测器的总功率测量结果,测量值与激光器输出功率偏差在5%以内,且激光光斑分布测量结果准确可靠。该阵列探测器已在多套激光系统的参数测试中得到成功应用,可以作为响应波段内的脉冲/连续激光光斑参数测试一种有效技术方案。     

Q开关激光脉冲功率测试的研究

由于光电探测器在强激光辐照时易发生响应信号饱和,而无法有效测量脉冲宽度,最终影响脉冲功率的结果。通过研制脉冲波形能量测试系统,优化脉冲宽度和脉冲能量的测试手段,实现激光脉冲功率的实时检测。     

准分子激光脉冲能量探测器的设计与性能测试

在以准分子激光为光源的步进扫描投影光刻机中,为了精确控制曝光剂量,需要用能量探测器实时、精确地监测单个激光脉冲的能量。研制了一种主要由聚光镜、积分棒、特殊晶体、滤光片、光电探测器和信号处理电路组成的准分子激光脉冲能量探测器;提出采用二阶有源低通滤波电路对窄脉冲信号进行整形处理以降低后续信号处理的难度;搭建测试装置对所研制的能量探测器进行了性能测试。测试结果表明,能量探测器输出的脉冲信号时间参数的实测值与设计值的相对误差约为3%,且其响应时间满足4 k Hz高重频的应用要求;采用双光束比对法消除准分子激光单个脉冲能量波动对测试结果的影响,得到能量探测器的测量重复性为0.26%,在入射光束脉冲能量为0.1~1μJ的动态范围内具有良好线性,其线性拟合方程为V=0.59841E-0.01508,相应的线性相关系数R2=99.976%。测试结果证明二阶有源低通滤波电路可以实现窄脉冲信号整形;设计的能量探测器具有良好的重复性和线性,可用于光刻机中高重频准分子激光单个脉冲能量的精确测量。     

卫星激光测高仪

从空间实验室雷达测高仪开始的30年间，以卫星为基础的测高学，为地球和其他行星测绘提供了强有力的工具。为全面利用轨道测高仪，不仅在发射前，而且在测高仪位于轨道上后，必须标定某些参数，经过多年，巳研究出雷达测高仪在轨标定技术。利用地球轨道卫星的激光测高学，开始于1996年使用航天飞机激光测高仪。虽然激光测高学提供了难得的机会，现在仍需要在轨标定技术。这些技术仍在革新，包括利用海洋上空按计划指定的演习和波形分析多轨数据型的集成。本文描述了对几种任务的在轨标定技术，包括至今巳发射的和不久将发射的激光测高仪任务。     

基于FPGA的星载HgCdTe探测器温控系统设计

大气主要温室气体检测仪采用HgCdTe探测器实现CO₂温室气体干涉光谱数据探测,HgCdTe探测器工作温度对探测器性能具有重要影响。针对HgCdTe探测器恒定低温下工作的需求,设计了温度采集电路与温控功率驱动电路,并以Actel公司反熔丝工艺FPGA作为主控单元, 结合PID算法,完成了星载HgCdTe探测器温控系统,实现了探测器在轨温度控制。实验及应用结果表明,控温精度优于0.5℃, 控温稳定性优于0.1℃/s,满足HgCdTe探测器在轨工作温度要求。     

导航卫星有效载荷在轨测试系统设计研究

导航卫星有效载荷在轨测试是卫星入轨后的重要试验,通过在轨测试实现对导航卫星运行状态的全面检测。在轨测试系统可以全面模拟地面运行控制系统的功能,是检验导航卫星功能和性能指标的专用测试设备。针对导航卫星的工作原理对有效载荷的构成进行了简要介绍,根据被测对象,提出了在轨测试系统的设计方案,描述了系统设备组成及各设备的功能特点,并对在轨测试系统中的关键技术的实现进行了分析。     

基于双重复频率的光时域反射仪

提出并实现一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管单光子探测器的双重复频率光时域反射仪系统.通过发送两列重复频率有差异的脉冲激光信号对同一光纤的断点进行检测.接收系统采用高速单光子探测器,保证了回返光探测灵敏度,同时也提高了数据采样的速度.通过调节两列激光脉冲重复频率,不仅可以实现系统测量距离量程的改变,而且能够改变测量精度.     

激光高度计地面定标模拟系统设计

星载激光高度计广泛地用于多种地形地貌的科研分析,例如冰层和植被覆盖变化。针对星载激光高度计数据的定量化应用,研究了激光高度计的定标方法,并设计了激光高度计地面定标模拟系统加以验证。该系统包含探测器阵列和高精度脉冲计时系统两部分,用于定标星载激光高度计的对地指向角和时间戳。对定标系统的性能进行实验测试和软件仿真,结果显示：探测器能够探测平均能量3 nJ/cm2的光斑,探测范围为1~16 nJ/cm2,计时系统计时精度为1.25 ns。     

Prelaunch performance of the NASA altimeter for the TOPEX/Poseidonproject

The TOPEX/Poseidon radar altimeter satellite applies advances in remote sensing instrumentation to reduce long wavelength measurement errors to dramatically lower levels. The TOPEX altimeter measures the range to the ocean surface with 2-cm precision and accuracy through the use of both Ku- and C-band radars, a high pulse repetition frequency, an agile tracker, and absolute internal height calibration. Dual pulse bandwidths for both frequencies make it possible to quickly acquire the surface and begin tracking after crossing the land/ocean boundary. The altimeter requirements and the elements of the altimeter design that have resulted in meeting these requirements are presented. Prelaunch test data, based on the use of a radar altimeter system evaluator to simulate the backscatter from the ocean surface, are presented to demonstrate that the TOPEX altimeter will meet these requirements and provide the data necessary to the understanding of basin scale mean circulation     

基于机器学习的大视场星敏感器畸变在轨标定技术

随着遥感卫星在轨任务复杂性的不断提升,对卫星精度的要求也不断提高。星敏感器是星上精度最高态敏感器,因而其在轨标定是提高精度的有效手段。由于大视场星敏感器的镜头畸变复杂,目前广泛采用的基于星对角距的最小二乘法存在一定局限性。因此提出一种基于机器学习的星敏感器在轨标定算法,该方法结合机器学习预测建模思想,通过构造特征建立镜头畸变模型,并结合主成分分析方法进行冗余特征的消除,最后从星角距和模型泛化能力两方面对标定效果进行评价。仿真结果表明:算法对镜头畸变程度较大的星敏感器有良好的校正效果,标定精度始终能保持在0.8内,与目前几种主流算法相比,具有精度高,鲁棒性好等优点。     

基于元数据文件的ZY-3轨道和姿态参数的精确获取

高精度卫星轨道和姿态参数的获取对卫星数据产品的推广应用具有重要意义。对“资源三号”卫星元数据文件（.AUX）的数据格式、参数意义以及量纲进行了深入的研究和分析,拟合得到任意时刻卫星的轨道和姿态参数。对拟合精度的分析表明,“资源三号”卫星轨道运行平稳,利用二次多项式拟合卫星轨道,精度可达到米级,与星上GPS设计的5米测量精度保持了很好的一致性。成像期间,其姿态变化相当稳定。该值可以作为外方位元素的初始值应用于卫星的在轨几何检校与影像的精确定位。     

Aqua MODIS Thermal Emissive Band On-Orbit Calibration, Characterization, and Performance

The NASA's Earth Observing System Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) has continued to operate with satisfactory performance since its launch in May 2002, exceeding its nominal six-year design lifetime. Its continuous Earth observations have been used to generate many science data products for studies of the Earth's system. MODIS has 36 spectral bands: 20 reflective solar bands and 16 thermal emissive bands (TEBs). All TEB observations are made at 1-km nadir spatial resolution with spectral wavelengths from 3.7 to 14.4 $mu hbox{m}$. Primary applications of MODIS TEB include surface, cloud, and atmospheric temperatures, water vapor, and cloud top altitude. MODIS TEB on-orbit calibration uses a quadratic algorithm with its calibration coefficients derived using an onboard blackbody (BB). This paper will present Aqua MODIS TEB on-orbit calibration, characterization, and performance over its six-year mission. Examples of instrument thermal behavior, BB temperature stability, detector short-term stability, and changes in long-term response (or system gain) will be presented. Comparisons will also be made with Terra MODIS, launched in December 1999. On-orbit results show that Aqua MODIS and its focal plane temperatures have behaved normally. BB temperature has remained extremely stable with typical scan-to-scan variations of less than $pm$0.15 mK. Most TEB detectors continue to exceed their specified signal-to-noise ratio requirements, exhibiting excellent short-term stability and calibration accuracy. Excluding a few noisy detectors, either identified prelaunch or occurring postlaunch, on-orbit changes in TEB responses have been less than 0.5% on an annual basis. By comparison, the overall Aqua TEB performance has been better than that of Terra MODIS.      

激光脉冲时域特性与探测器响应关系探讨

针对激光与光电探测器两种相互作用方式,选择四种常见的激光脉冲波形,建立简单数学模型,计算了光电探测器接收到的激光脉冲能量和脉冲激光在探测器上的有效持续时间,并据此分析激光脉冲时域特性与光电探测器的响应关系.计算结果表明,不同的激光脉冲波形引起的光电探测器的响应会有差异,并且,相对较长的大能量激光脉冲波形可能在探测器中引起较好的作用效果.